Coulomb Explosion Imaging of Complex Molecules Using Highly Charged Ions

库仑爆炸 离子 库仑 分子 原子物理学 物理 核物理学 电子 量子力学 电离
作者
Hang Yuan,Yue Gao,Bo Yang,S. Gu,Hong Lin,D. L. Guo,Junliang Liu,Shaofeng Zhang,X. Ma,Shenyue Xu
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:133 (19)
标识
DOI:10.1103/physrevlett.133.193002
摘要

Rapidly stripping off multiple electrons from the target and triggering complete fragmentation with each constituent atom being charged up are ideal prerequisites for Coulomb explosion imaging. Here, we demonstrate that highly charged ion beam with energy in the Bragg peak region is a powerful tool capable of meeting these requirements. Using the $112.5\text{ }\text{ }\mathrm{keV}/\mathrm{u}$ ${\mathrm{C}}^{5+}$ beam, we successfully imaged the structures of pyridazine, pyrimidine, and pyrazine, three isomers of ${\mathrm{C}}_{4}{\mathrm{H}}_{4}{\mathrm{N}}_{2}$, by detecting ionic fragments ${\mathrm{H}}^{+}$, ${\mathrm{C}}^{2+}$, ${\mathrm{C}}^{+}$, and ${\mathrm{N}}^{+}$ in quadruple coincidence. The three isomers are unambiguously distinguished in the spectra of angular correlation between different fragments, and their structures are clearly visualized in momentum images. More importantly, taking the advantage of fast colliding interaction that creates high charge states on a subfemtosecond timescale, our approach effectively suppresses the distortion of molecular configuration during explosion, ensuring the high accuracy in structural imaging. This is confirmed by the quantitative agreement of momentum magnitudes between the point-charge model and the experiment for all fragments including hydrogen. Our work demonstrates that highly charged ion induced Coulomb explosion is a powerful tool for precisely imaging the initial structures of complex molecules.

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